燃煤鍋爐汞脫除規(guī)律研究現(xiàn)狀和Aspen 技術(shù)分析*

梁 霄，李東雄，李錦蓉，趙元杰

（山西大學(xué)，山西 太原 030013）

燃煤發(fā)電會導(dǎo)致多種污染物的排放，如硫化物、氮化物、重金屬汞及其化合物等。燃煤是最大的人為汞排放源之一[1]，近年來，我國對燃煤電廠中汞及其化合物的污染排放愈發(fā)重視，根據(jù)中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[2]，汞及其化合物第一次被列入了燃煤發(fā)電排放指標(biāo)。

1 研究現(xiàn)狀

過去，在對燃煤電廠污染物的研究中，硫化物和氮化物的研究較為普遍，而汞及其化合物的研究相對較少。朱珍錦等和郭欣等[3-4]對某電廠的300 MW煤粉鍋爐的汞排放規(guī)律進(jìn)行了實驗分析，得出了汞在燃煤煙氣中大量排放，爐渣中排放較少的分布特征，其研究表明只需要對燃煤煙氣中的汞進(jìn)行分析討論即可脫除大部分的汞及其化合物。周勁松等[5-6]對燃煤鍋爐汞的排放進(jìn)行了研究，對300 MW 及以上等級的燃煤鍋爐中汞的排放規(guī)律等進(jìn)行了報道，其中利用OH 法對汞及其化合物進(jìn)行了采樣，討論了靜電除塵器（ESP） 前后對汞排放的影響及OH法與CEM 法的適用性，該成果對汞的采樣方法的研究有一定的啟發(fā)性。李志超等[7]對300 MW 燃煤機(jī)組中利用ESP 和WFGD 脫汞進(jìn)行了分析，得出ESP 對顆粒汞、WFGD 對Hg2+的脫除效果較好的結(jié)論。隨著對硫化物排放的嚴(yán)格要求以及對燃煤效率的追求，循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB） 鍋爐被大量使用，白建云等[8]對循環(huán)流化床鍋爐協(xié)同脫除下的汞排放特性進(jìn)行了研究分析, 證明了CFB 鍋爐協(xié)同脫除方法在脫汞方面的巨大優(yōu)勢。黃勛等[9]對CFB 鍋爐的褐煤、煙煤、無煙煤中煙氣飛灰的汞遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，討論了爐膛溫度、爐膛空截面風(fēng)速、給煤量、顆粒度等因素對汞遷移規(guī)律的影響。上述研究中的裝置基本都設(shè)有靜電除塵器或布袋除塵器，部分機(jī)組配套濕法脫硫裝置，但沒有涉及到針對配套半干脫硫法的CFB 鍋爐機(jī)組的研究報道，目前國內(nèi)煙氣污染物綜合脫除技術(shù)中，已有多臺循環(huán)流化床鍋爐采用爐內(nèi)脫硫+爐外煙氣循環(huán)流化床半干法脫硫除塵一體化協(xié)同脫除工藝，其在確保煙塵、SO2超低排放的情況下，SO3脫除效率和負(fù)荷適應(yīng)性表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他綜合脫除系統(tǒng)，但其對煙氣汞及化合物的協(xié)同脫除效率和負(fù)荷適應(yīng)性還缺乏數(shù)據(jù)支撐。曾韻潔[10]的研究報道表明了SO2，NO 以及SO3的存在未對煙氣中SO2脫除效率有明顯影響，但對汞及其化合物的脫除有一定的抑制作用。2020年1月，姜興華[11]對300 MW 的配套半干脫硫裝置的CFB 鍋爐進(jìn)行了研究報道，研究了300MW 的不同工況下汞的分布和脫除特性，但其煤種較為單一，且未對爐內(nèi)其他元素對汞的協(xié)同脫除進(jìn)行討論，而任建莉等[12]的研究表明，煙氣中汞的分布規(guī)律與煤種相關(guān)，只對一種煤種進(jìn)行實驗的報道普適性較差。

因此，有必要對多煤種進(jìn)行實驗分析，得到普遍的規(guī)律。但進(jìn)行大量的工業(yè)試驗相對困難，而利用Aspen Plus 工業(yè)模擬軟件對CFB 進(jìn)行模擬分析可很好地解決這一問題。利用Aspen Plus 可以對多煤種、多工況下的汞的協(xié)同脫除規(guī)律進(jìn)行討論分析，結(jié)合實際實驗進(jìn)行驗證，從而得出較好的普適規(guī)律和數(shù)據(jù)曲線。江成林等[15]利用Aspen Plus 計算CFB鍋爐的燃燒效率，提出了一種基于Aspen plus 軟件的CFB 鍋爐效率計算方法，但對灰渣的物理計算結(jié)果偏差較大。李娟等[16]利用Aspen plus 對660 MW的鍋爐進(jìn)行了性能計算，張媛等[17]基于Aspen plus對工業(yè)煤粉鍋爐的煙氣再循環(huán)進(jìn)行了研究報道，這些文獻(xiàn)中的CFB 鍋爐建模、研究方法思路對我們的研究有一定參考價值。目前，尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)利用Aspen Plus 軟件對汞煙氣及其化合物的研究報道。

2 汞的遷移規(guī)律

由多種文獻(xiàn)材料可知[3,7]，燃煤鍋爐中的汞主要以氣態(tài)汞（Hg0，Hg2+） 形式排出，大氣會將氣態(tài)零價汞輸送到各個地方，造成范圍性的汞污染，而氣態(tài)二價汞易溶于水，在大部分電廠未安裝濕法脫硫裝置的情況下，會與外界的水分子結(jié)合，迅速沉積在排放源附近，造成地區(qū)性的汞污染。氣態(tài)零價汞Hg0（g）在汞的大氣排放分布中占比最大，由此可知，脫Hg0的關(guān)鍵就是將Hg0（g）轉(zhuǎn)化為Hg2+（g），并盡可能將Hg2+（g）轉(zhuǎn)化為Hg（p）后進(jìn)行脫除，這樣即可達(dá)到控制汞排放的目的。Hg0（g）的遷移有兩種途徑:一種是Hg0（g）與煙氣其他成分發(fā)生均相氧化反應(yīng)而生成氣態(tài)的氧化態(tài)汞Hg2+（g）；二是未氧化的Hg0（g）和生成的Hg2+（g）與固態(tài)產(chǎn)物發(fā)生氣固吸附作用而成為顆粒態(tài)汞Hg（p），并且在很多情況下會伴隨著Hg0（g）與固態(tài)產(chǎn)物的非均相催化氧化作用。Hg（p）可以被除塵器捕獲，但缺乏準(zhǔn)確具體的捕獲數(shù)據(jù)，這就需要對除塵器的脫汞效率和影響因素進(jìn)行研究。汞的脫除效率、遷移受很多條件的影響，研究其協(xié)同脫除效率，需要對除塵器脫汞效率、其他化合物對汞協(xié)同脫除的影響、其他（如煤種、爐膛溫度、爐膛給煤量、顆粒度等） 環(huán)境因素對汞脫除效率的影響進(jìn)行綜合性分析。這時，利用計算機(jī)模擬軟件的強大計算能力，可節(jié)約大量的時間和成本，具有很大的優(yōu)勢，這也是越來越多的學(xué)者利用Aspen plus 等模擬軟件進(jìn)行研究的原因。

3 Aspen 技術(shù)分析

3.1 Aspen Plus 模擬技術(shù)簡介

Aspen Plus 是大型通用流程模擬系統(tǒng)軟件，經(jīng)常被用戶用于化工過程模擬。多年來，Aspen Plus先后推出了十多個版本，通過不斷地改良、完善和拓展，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)的大型過程仿真軟件而聞名于世，其成功的應(yīng)用案例超數(shù)百萬個。Aspen Plus的用戶包括了全球的各大化工、石化等過程工業(yè)企業(yè)及眾多大型工程公司。

3.2 Aspen Plus 模擬技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

國內(nèi)有很多學(xué)者應(yīng)用Aspen plus 軟件進(jìn)行研究，Aspen Plus 模擬技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，研究應(yīng)用設(shè)想的難點是模型建立是否完備和物性參數(shù)及計算方法的輸入，這些難題可以通過參考其他學(xué)者對Aspen 的研究和對該軟件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)來解決。對于CFB 的Aspen plus 軟件建模，可參照崔亞明等[13]、Liu Bing 等[14]的研究。江成林等[15]利用Aspen plus 建立了CFB 鍋爐模型，并對CFB 鍋爐穩(wěn)定運行工況下的燃煤效率進(jìn)行了模擬計算，其相對誤差較小，煙氣成分組成與現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合。李娟等[16]利用Aspen plus 計算了660 MW 超超臨界CFB 鍋爐滿負(fù)荷下的性能，得到了過量空氣系數(shù)對氮氧化物和硫化物排放的影響。張媛等[17]則利用Aspen plus 對煤粉鍋爐的再循環(huán)煙氣溫度對NO 的排放進(jìn)行了研究。這些都表明Aspen plus 軟件在燃煤鍋爐研究及鍋爐排放研究方面的可行性。

3.3 Aspen Plus 模擬技術(shù)應(yīng)用的意義

利用Aspen Plus 軟件模擬計算有很多優(yōu)勢，可以節(jié)約實驗成本，可以在短時間內(nèi)進(jìn)行大量的模擬計算并對結(jié)果進(jìn)行歸納，可以利用模擬中得到的參數(shù)進(jìn)行實際的實驗來驗證結(jié)果。節(jié)約大量時間、設(shè)備、材料等成本的同時，得到較為完善和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)支撐的同時，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 研究趨勢

隨著時間推移，我國越來越重視對污染物排放的控制，對燃煤系統(tǒng)排放方向的研究逐漸趨向于對污染物脫除規(guī)律進(jìn)行分析，利用多種因素來降低污染物排放的研究，汞及其化合物就是其中重要的一項。對研究現(xiàn)狀的分析可知，學(xué)者們對燃煤鍋爐中汞的遷移及脫除規(guī)律的研究愈發(fā)完善，但鑒于實際研究的成本，多數(shù)學(xué)者僅用一種煤種在通常工況下或多煤種在單一工況下進(jìn)行研究，其規(guī)律曲線具有參考價值，但缺乏大量的數(shù)據(jù)，不能完全適用各種復(fù)雜的工況，這時模擬研究低成本的優(yōu)勢便越發(fā)受學(xué)者們青睞。針對研究空白及Aspen plus 技術(shù)的優(yōu)勢，未來可利用Aspen Plus 技術(shù)對配套一體化協(xié)同脫除半干脫硫設(shè)備的CFB 鍋爐機(jī)組進(jìn)行建模，考慮到煤的工業(yè)成分的差異性，填寫多煤種的數(shù)據(jù)，并改變工況參數(shù)，利用計算機(jī)模擬，最后通過實驗進(jìn)行驗證，得到不同工況下，不同煤種燃燒時煙氣汞及其化合物的協(xié)同脫除規(guī)律，為配套半干法脫硫設(shè)備的CFB 鍋爐機(jī)組提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來的研究趨勢也將從搭建實驗鍋爐、仿真設(shè)備這種實際的、大規(guī)模、高成本研究，轉(zhuǎn)到先行利用模擬軟件進(jìn)行計算模擬，得到數(shù)據(jù)，與實際情況比較，分析模擬可行性，在可行的基礎(chǔ)上，得到大量模擬數(shù)據(jù)，繪制更精確的曲線，揭示更多情況下的規(guī)律，為企業(yè)進(jìn)行“量身定做”式的模擬研究，為優(yōu)化生產(chǎn)方式、減少污染排放等方面提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)束語

環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格，提高煤炭的高效清潔利用顯得尤為重要。重金屬污染越來越受到社會關(guān)注，汞是常見的重金屬污染物之一。據(jù)報道，人為排放的汞約占大氣汞的75%，而燃煤釋放的汞約占人為排放總量的45%。本文對燃煤鍋爐汞脫除規(guī)律的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，得到汞的遷移規(guī)律。引出了Aspen plus 軟件模擬，介紹了Aspen 技術(shù)應(yīng)用的難點并對Aspen plus 在燃煤鍋爐應(yīng)用上的研究進(jìn)行了分析。說明了利用Aspen Plus 進(jìn)行建模和模擬運算，結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)，達(dá)到節(jié)約時間、成本、提高研究效率的應(yīng)用意義。提出Aspen plus 軟件應(yīng)用于CFB 鍋爐機(jī)組的研究方法，并對未來的研究趨勢和發(fā)展方向做了展望。